TCP Segment

다음은 TCP 헤더의 각 필드와 세그먼트 구조, 그리고 TCP state table에 대해 정리한 내용입니다.

TCP 세그먼트 구조

TCP에서 전송되는 데이터 단위를 세그먼트(Segment)라고 한다. 각 세그먼트는 TCP 헤더와 애플리케이션 데이터로 구성된다.

세그먼트 vs 패킷 vs 프레임

• 세그먼트: 전송 계층(TCP)에서의 데이터 단위
• 패킷: 네트워크 계층(IP)에서의 데이터 단위
• 프레임: 데이터링크 계층에서의 데이터 단위

TCP 헤더 구조

TCP 헤더는 최소 20바이트의 고정 부분과 최대 40바이트의 옵션 부분으로 구성된다.

각 필드 상세 설명

1. Source Port (16비트)

• 발신지 포트 번호
• 범위: 0 ~ 65,535
• 클라이언트에서는 보통 동적으로 할당되는 임시 포트 사용
• 예: 클라이언트가 웹 서버에 접속할 때 사용하는 포트

2. Destination Port (16비트)

• 목적지 포트 번호
• 범위: 0 ~ 65,535
• 서버에서는 Well-Known Port 사용
• 예: HTTP(80), HTTPS(443), FTP(21), SSH(22)

3. Sequence Number (32비트)

• 시퀀스 번호
• 이 세그먼트에 포함된 데이터의 첫 번째 바이트 번호
• 초기값: ISN(Initial Sequence Number)
• 바이트 단위로 증가

4. Acknowledgment Number (32비트)

• 확인응답 번호
• 다음에 받기를 기대하는 바이트 번호
• ACK 플래그가 1일 때만 유효
• 누적 확인응답 방식

5. Data Offset (4비트)

• 헤더 길이
• TCP 헤더의 길이를 32비트 워드 단위로 표현
• 최소값: 5 (20바이트), 최대값: 15 (60바이트)
• 계산식: 실제 헤더 길이 = Data Offset × 4 바이트

6. Reserved (6비트)

• 예약 필드
• 현재 사용되지 않음
• 항상 0으로 설정

TCP 제어 필드 (Control Flags)

TCP 헤더의 제어 필드는 6개의 1비트 플래그로 구성되어 있고, 각각 별도의 의미를 가진다.

제어 플래그 종류

1. URG (Urgent)

• 긴급 데이터 존재를 알림
• URG = 1일 때 Urgent Pointer 필드 유효
• 긴급 데이터는 일반 데이터보다 우선 처리
• 예: Ctrl+C와 같은 인터럽트 신호

2. ACK (Acknowledgment)

• ACK 응답 번호 유효성 표시
• ACK = 1일 때 Acknowledgment Number 필드 유효
• 연결 설정 후 모든 세그먼트에서 ACK = 1

3. PSH (Push) - 푸시 플래그

• 즉시 전달 요청
• 버퍼링 없이 즉시 애플리케이션에 전달
• 대화형 애플리케이션에서 사용
• e.g. Telnet , SSH에서의 키 입력

4. RST (Reset)

• 연결 강제 종료
• 비정상적인 상황에서 연결 재설정
• 즉시 연결 종료 (4-Way Handshake 없이)
• e.g. 서버 다운, 잘못된 포트 접근

5. SYN (Synchronize)

• 커넥션 연결 요청
• 시퀀스 번호 동기화
• 3-Way Handshake에서 사용
• SYN = 1일 때 Sequence Number는 ISN

6. FIN (Finish)

• 연결 종료 요청
• 더 이상 보낼 데이터가 없음을 표시
• 4-Way Handshake에서 사용

제어 플래그 조합 예시

나머지 헤더 필드

7. Window Size (16비트)

• 수신 윈도우 크기
• 수신자가 받을 수 있는 바이트 수
• 흐름 제어에 사용
• 최대값: 65,535바이트 (윈도우 스케일링 옵션으로 확장 가능)

8. Checksum (16비트)

• 오류 검출
• TCP 헤더 + 데이터 + 의사 헤더에 대한 체크섬
• 송신 시 계산, 수신 시 검증
• 오류 발견 시 세그먼트 폐기

9. Urgent Pointer (16비트)

• 긴급 데이터 포인터
• URG 플래그가 1일 때만 유효
• 긴급 데이터의 마지막 바이트 위치 표시
• Sequence Number + Urgent Pointer = 긴급 데이터 끝

10. Options (가변 길이)

• TCP 옵션
• 다양한 확장 기능 제공
• 4바이트 배수로 정렬 (Padding 사용)

주요 TCP 옵션

TCP 상태 테이블 (State Table)

TCP 연결의 상태 전이는 현재 상태와 수신한 세그먼트에 따라 결정된다.

상태 전이 테이블

특별한 상태들

TIME_WAIT 상태

• 목적: 지연된 세그먼트 처리
• 지속 시간: 2 × MSL (Maximum Segment Lifetime)
• MSL: 일반적으로 30초~2분
  - 이유:
  • 마지막 ACK가 손실된 경우 재전송 처리
  • 같은 커넥션에서 이전 세그먼트 간섭 방지

CLOSE_WAIT 상태

• 의미: 상대방이 연결 종료 요청
• 상황: 애플리케이션이 아직 close() 호출 안 함
• 문제: 애플리케이션 버그로 인한 리소스 누수 가능

세그먼트 크기와 MSS

MSS (Maximum Segment Size)

• 정의: TCP 세그먼트에서 데이터 부분의 최대 크기
• 기본값: 536바이트 (IPv4), 1220바이트 (IPv6)
• 협상: 연결 설정 시 양쪽이 협상하여 결정
• 계산: MTU - IP 헤더 - TCP 헤더

MSS announcement (negotiation)

TCP 커넥션 연결을 시작할 때, 3-way handshake 과정의 SYN 패킷에 자신의 MSS 값을 포함시켜 전송하는 것이다.

 
클라이언트 MSS = 1460, 서버 MSS = 1200
 
→ 실제 사용 MSS = min(1460, 1200) = 1200
 

실제론 협상이 잘 이루어지지 않는다. 왜냐면

1. Ethernet의 기본 MTU = 1,500 바이트
2. 일부 네트워크 환경(특히 VPN, 터널링, 일부 방화벽 설정)에서는 실제 가능한 MTU가 1,400 이하

일반적인 MSS 값